本科毕业设计（论文）

外文翻译

魔术表演在物理教学中的应用

作者：Franco Bagnoli ,Alessio Guarino，Giovanna Pacini

国籍：意大利，法国

出处：Physics Education,2019,54(1).

摘 要：为了在几个物理教学情境中引入主题，本文描述并科学解释了一些神奇而令人惊讶的物理演示实验。所有的演示材料都是易于获得和廉价的，这样也能方便学生在家里进行实验。这种方法在意大利高中、意大利老年人教育和法国小学中得到了广泛的应用，且取得了良好的效果。

1. 引言

物理是一门难学的学科！这是学生和外行对这个话题最常见的说法。的确，这是真的！物理学的主要问题在于，它并不依赖于我们应该学什么，而是依赖于那些必须被遗忘或情景化的东西。

亚里士多德也可能是中世纪的观点认为，我们生来就具有生活中的物理常识，因此我们的身体和大脑，可以运用这些知识经验来成功地处理日常事务。其他动物同样也天生具有这种知识。不幸的是，更深入的观察表明，世界遵循其他规则，因此教师的主要目标是引导学生(根据上下文)转向一条与先天推理路径不同的推理路径。

有一种技术可以用来达到这个目的，那就是通过近乎魔术般的体验来给观众带来“惊喜”，然后让观众进行讨论，分析涉及到的物理原理，并说明可能的扩展、应用领域等。关于标准的“科学博览会”实验，我们主要关注日常生活中的魔术。要注意，从物理学的角度来看魔术实验与分析“魔术技巧”有很大的不同。

在过去的几年里，我们设计了一套简单的可以利用廉价的设备和废料在家中重复操作的演示实验。我们已经在多个地方对这些实验进行了测试，包括各级各类学校、传播活动、老年人课程和公共展览。我们在参与者的学习过程中发现了希望。

在本文中，我们展示了一些演示，这在整个托斯卡纳高中生的课程周期、老年人的课程（佛罗伦萨市自由年龄大学）和教师准备课程中都进行了测试，本文将介绍这些教学经验和教学结果。

1. 演示

我们进行了不同的演示，但有一组常见的十个实验（表1）。让我们回顾一下这些物理演示实验的内容以及对其的描述与讨论。很明显，演示和叙述部分随着时间的推移而发展，我们在这里展示的是最新版本。我们试图激发讨论，指出明显不同学科之间意想不到的联系。每次表演结束后，最常见的“口头禅”(要求观众一起大喊)是“为什么?”

表1 10个最常见的魔术表演

2.1.泰坦尼克号的沉没

我们从展示泰坦尼克号沉没的一些场景开始。在电影中，杰克和露丝紧紧抓住船尾的栏杆，就在下沉前不久，杰克说:“在下水之前，深吸一口气。船会把我们拖垮的。踢出水面，然后继续踢。不要放开我的手。我们会成功的，露丝。相信我。”

下沉的船舶是否存在吸力效应?如果是，为什么?

互联网上关于这种吸力效应的一个理论是，由于船上的空气，在逃逸时，“减轻”了水，从而无法维持救生艇和失事船只上的人。这个理论也是《神话破坏者》中亚当bull;萨维奇和杰米bull;海纳曼调查的主题，但他们没有发现任何证据，因为使用了一艘太小的船。

事实上，吸引效应确实存在，许多目击者的记录都证明了这一点，而且很容易模拟。拿一个又高又窄的容器，装满(最好是彩色的)水，然后用一个玻璃杯(最好是厚底的)来模拟泰坦尼克号。标出水面(海)高度，并要求公众预测沉船后该高度的结果。它会提高吗?它会保持不变吗?它会降低吗?

通常情况下，绝大多数公众投票支持第一种选择，当船只沉没时，“海平面”实际上会降低，这仍然让人相当惊讶(图1)。

我们可以利用这个机会，让公众背诵阿基米德的原理，即一个浸在液体中的物体受到的浮力等于排开的液体的重量。由于轮船是由一种比水重的材料制成的，因此轮船的排水量必须大于所用材料的体积，一旦下沉，轮船只会取代所用材料的体积。因此，一艘正在下沉的大船在海洋中制造了一个“洞”，周围的水冲进来填满它，拖拽着不幸的沉船。

关于阿基米德原理的许多其他叙述是可能的。例如，当达芬奇于1482年到达米兰时，这座城市被各种各样的水道所环绕。其中一些河流，如马泰萨纳河，流经其他河流，如莫尔戈拉河和兰布罗河。客户Ludovico il Moro担心，一艘船通过这条桥运河时，增加的重量会超过桥梁的承载能力。列奥纳多清楚地解释了发生了什么：“船在桥拱上沿河航行的重量不会增加桥本身的重量，因为船的重量与它所排出的水量完全相同，并且可以通过一些演示来说明这种效果。”

2.2.瓶中潜水者

泰坦尼克号上载有很多富人，有几次探险的目标就是取回这些物品和贵重物品。我们可以在瓶子里模拟潜水探险。我们用圆珠笔盖和橡皮泥做了一个笛卡尔潜水器，我们把盖子上的洞盖上，然后装上壶嘴，这样“潜水员”就不会浮在水面上了。然后我们把它放在一个装满水的塑料瓶里，把瓶口堵住。既然瓶子是密封的，我们怎么才能说服潜水员下去呢?

我们表明，我们可以用我们的“精神力量”去控制任何物体（或观众的手）让潜水员随意上下移动。实际上，我们所做的只是用一只手挤压瓶子来增加瓶子内部的压力(为了不让观众发现这个技巧，瓶子必须完全装满，否则变形太明显)。一些已经准备好的瓶子在参与者之间分发，以便他们可以自己检查效果。

但现在的问题是：当我们挤压瓶子时会发生什么?内部压强增加了，那又怎样?潜水员为什么在下沉?

一些人提出的解释是水的密度增加了，但这种解释使得在任何情况下，都会有利于物体漂浮。把实验“打破”成碎片并问：为什么瓶盖会浮起来，即使它是由密度比水大的材料制成的？

最后，正确的解释出现了：是盖子内部的气泡使其漂浮，通过增加不可压缩水的压力，气泡的体积减小，从而降低了保持潜水员漂浮的浮力。

然后将这种现象直观地表现出来，用一个透明的帽子代替潜水员。由于水压随着深度的增加而增加，通过调节手的力量也可以让潜水员在一定的深度保持静止。这只是阿基米德原理结合Stevin(流体静力学)和波义耳定律的一个证明。将一串由一次性塑料瓶、一些塑料珠子和胶水制成的“珍贵项链”沉入水中，让潜水员用一些钩子挂在橡皮泥上把它们捞上来，这样的表演就更有戏剧性了。

图1 泰坦尼克号沉没后海平面下降

2.3.网中的水

这个实验通常是用一块布（一个“手帕”）进行的，但我们使用的是金属丝网。我们把一块薄纱放在玻璃罐上，用橡皮筋把它固定住。我们把罐子装满薄纱，表明水可以通过。然后我们用一片塑料把罐子盖上，把所有东西都倒过来。最后，我们慢慢地把塑料片塞到一边。我们表明，水不会下降，除非有人倾斜罐子。令人惊奇的是，我们可以用一个非常宽的网孔重复这个技巧，网孔直径可达半厘米。在这种情况下，成功很大程度上依赖于保持表面水平。只需轻轻的倾斜或撞击罐子（或网格中的折叠处），水就会下落。

事实上，人们应该更惊讶于网中的水可以保持。事实上，我们证明了使用一根顶端封闭的吸管来“移液”水样是可能的。人们可以用一根粗达一厘米大“洞”的吸管，水就留在“洞”中。

不同之处在于，网格相当于许多耦合吸管(因为它们通过液体连通)。为了说明发生了什么，我们做了一个带有两个耦合吸管的设备(图2)，每个吸管的直径约为6毫米。如果吸管是半满的，它们是相当稳定的，设备倾斜也没有问题。然而，如果设备充满了中央吸管，水几乎不可能保持在里面。

由于这两层水-空气膜是由水连接的，所以每一层都在向另一层传递压力，类似于两个连接在一起的肥皂泡。即使是很小的倾斜也会增加水-空气下表面的重量，超过表面张力。使用单独的吸管，可以看出吸管的表面张力和吸管内部的凹陷可以使水保持在“T”装置中央臂的水平面，说明泄漏效应是由于耦合而不是仅仅由于水压。

图2 耦合吸管

当水位低于连接通道时（左侧），两根吸管实际上是分开的，它

们可以维持一定高度的水（甚至比图中的高很多）。当吸管中的

水连通时（右），高度差会导致下表面破裂，水就会滴落。

2.4.平衡扫帚

让我们转向力学。其中一个几乎不可思议的“把戏”是钢丝扫帚。我们拿起一把扫帚，让一位观众找出它的质心，也就是它能在一个手指上保持平衡的点。当然，要找到这一点，我们需要做几次尝试，我们指出，如果扫帚不完全平衡，就会掉下来。

之后，我们蒙上志愿者的眼睛，让他/她张开双臂，保持水平，然后把扫帚放在志愿者的手指头上。然后，我们让他/她的手指慢慢地靠近：扫帚没有掉下来，两个手指直接连接在它的重心下面（图3）。这令观众非常惊讶，为什么会这样？

刚体的平衡是由于合力的抵消(否则物体加速)，也由于力矩和(力乘以距离)为零，否则物体就会旋转。两个手指所施加的力不同：靠近质心的手指所施加的力更大，这一点可以直接验证。现在摩擦开始起作用了。摩擦强度由摩擦系数(两个手指的摩擦系数相同)和压力决定。靠近质心的手指施加更大的力，因此感到更多的摩擦。因此，是离质心较远的手指在滑动，直到它比另一只手更接近质心。所以，两根手指交替地滑动，直到它们在扫帚的质心下接合。

图3 作用在扫帚上的力

2.5.弹跳球

另外一个神奇的效果可以由两个比平常膨胀得多(因此它们的恢复系数更高)的球比如一个篮球和一个网球来产生。我们首先说明它们的弹性性质，表明它们会反弹到初始高度，正如伽利略所指出的，所有物体都以相同的加速度下落。这意味着如果两个球从相同的高度落下，它们会以相同的速度同时落地。

然后我们把它们堆起来，把轻的网球放在重的篮球上面。上面的球将达到多高?和以前一样吗?两倍?更多?令观众惊讶的是，网球跳了3-4米高，甚至更高。为什么?

为了用一种简单的方式得到答案(图4)，我们假设这些球是完全弹性的物体，并且较大的球的质量比另一个的质量大得多。参与者只需要记住一个公式，那就是能量守恒定律：高度h₀正比于最终速度v的平方。

在理想的情况下，较轻的球应该达到hellip;9h₀ ！如果我们把这两个球从一米半的高度扔下去，我们可以很容易地到达天花板(可能会砸碎一盏灯，造成很大的视觉冲击)。如果我们把第三个球放在第二个球的上面，将会达到hellip;49h₀ !

从实践的角度来看，在球落下之前保持球的平衡是不容易的。我们需要准备一些有塑性的材料如粘土插入他们之间。另一种可能是使用带孔的疯狂球，用棍子连接它们。

演讲者可以用这个演示来说明超新星爆炸的机理。如果一个人用一个篮球和一个网球，也有可能用一个额外的问题来补充天文学上的论点：这些球的相对大小大致相当于地球和月球的大小。网球和篮球应该放在多远的地方才会有相同的比例?国际空间站应该建在哪里?

图4 两个质量差无穷大的球完全弹性碰撞的近似计算

观众会惊奇地发现，月地距离大约为地球直径的32倍，即网球和篮球大约距8米，而国际空间站离篮球只有一厘米。但是如果国际空间站离地球这么近，为什么宇航员会失重呢?太空中没有重力吗?

2.6.饮水鸟

在这个节目开始的时候，我们在一个角落里放一只会喝水的鸟（图5），它一直在摆动。我们不时提醒观众检

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